이산화탄소포집

[강연] 표면에서 일어나는 화학 반응의 세계 _ by이현주ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 6강 | 6강

현대 화학 산업은 거대한 전환점을 맞이하고 있습니다. 과거에는 땅속의 석유를 채굴하여 연료와 플라스틱을 대량 생산하는 모델이 주를 이루었으나, 이제는 이산화탄소 배출로 인한 기후 변화 문제가 심각한 화두로 떠올랐습니다. 탄소세 부과와 전기차 시장의 급격한 팽창은 기존 정유 및 화학 업계에 큰 변화를 요구하고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 인류는 더 이상 자원 고갈 때문이 아니라, 지구 환경을 보호하기 위해 석유를 대체할 새로운 자원을 찾아야 하는 과제에 직면해 있습니다. 석유의 대안으로 주목받는 자원에는 바이오매스, 태양광, 풍력 에너지 등이 있습니다. 특히 태양광이나 풍력으로 생산된 전기를 이용해 물을 분해하여 수소를 얻고, 이를 이산화탄소와 결합해 유용한 화합물을 만드는 기술이 활발히 연구되고 있습니다. 미래의 화학 산업은 특정 지역에서 대량 생산하여 전 세계로 보급하던 방식에서 벗어나, 지역별 자원 특성에 맞춰 필요한 제품을 즉석에서 생산하고 소비하는 분산형 모델로 진화할 것입니다. 이러한 변화의 중심에는 화학 반응을 조절하는 촉매 기술이 자리 잡고 있습니다. 촉매는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 조절하는 물질입니다. 일상적인 조건에서는 반응물이 생성물로 변하기 위해 매우 높은 활성화 에너지 장벽을 넘어야 하지만, 촉매는 이 과정을 안정화하여 더 적은 에너지로도 반응이 진행되도록 돕습니다. 촉매는 크게 균일계, 불균일계, 효소 등으로 나뉘는데, 그중에서도 고체 상태의 촉매를 사용하는 불균일계 촉매는 산업 현장에서 가장 널리 쓰입니다. 이는 공정 관리가 용이하고 대량 생산에 적합하여 현대 화학 공장의 핵심적인 역할을 수행합니다. 불균일계 촉매의 핵심은 표면 반응에 있습니다. 반응은 촉매의 표면에서만 일어나기 때문에, 비싼 귀금속인 백금 등을 사용할 때는 표면적을 극대화하는 것이 경제적으로 매우 중요합니다. 나노 기술을 활용해 금속을 수 나노미터 크기의 입자로 만들면 표면적을 수십만 배 이상 늘릴 수 있어 효율성이 비약적으로 상승합니다. 반응물이 촉매 표면에 흡착되어 결합이 끊어지거나 재결합한 뒤 생성물로 탈착되는 일련의 과정은 나노 입자의 크기와 모양, 표면 원자 배열에 따라 결정되며, 이를 정밀하게 제어하는 것이 연구의 핵심입니다. 최근 촉매 연구의 가장 뜨거운 분야 중 하나는 단일 원자 촉매입니다. 이는 금속 원자를 하나씩 담체 위에 분산시켜 모든 원자가 표면 반응에 참여하도록 만드는 기술입니다. 기존 나노 입자 촉매는 내부의 원자들이 반응에 참여하지 못해 낭비되는 부분이 많았으나, 단일 원자 촉매는 금속 활용도를 100%까지 끌어올릴 수 있습니다. 또한 반응 자리가 매우 균일하여 원치 않는 부산물을 줄이고 특정 생성물만 얻는 선택도가 높다는 장점이 있습니다. 이는 메탄을 고부가가치 화합물로 전환하는 등 난도가 높은 반응에서 혁신적인 가능성을 보여줍니다. 하지만 단일 원자 촉매가 모든 반응에서 만능은 아닙니다. 수소 연료 전지의 핵심인 산소 환원 반응처럼 두 개 이상의 원자가 협동하여 결합을 끊어야 하는 경우에는 단일 원자만으로는 한계가 있습니다. 이를 해결하기 위해 원자들이 서로 이웃하여 존재하는 앙상블 촉매 구조가 새롭게 주목받고 있습니다. 앙상블 촉매는 모든 원자가 표면에 노출되어 있으면서도 이웃한 원자들과의 상호작용을 통해 복잡한 화학 결합을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 이는 불순물에 취약한 단일 원자 촉매의 단점을 보완하고 실제 산업 공정에서의 내구성을 높이는 대안이 됩니다. 촉매 기술의 발전은 수소 연료 전지차의 대중화와 탄소 중립 실현을 앞당기는 결정적인 열쇠입니다. 연료 전지에 들어가는 고가의 백금 사용량을 획기적으로 줄이거나, 자동차 배기가스의 오염 물질을 정화하는 삼원 촉매의 성능을 높이는 일은 모두 표면 반응 제어 기술에 달려 있습니다. 나아가 대기 중의 이산화탄소를 포집하여 다시 연료나 원료로 바꾸는 기술이 완성된다면, 인류는 지속 가능한 순환형 화학 산업 구조를 갖추게 될 것입니다. 보이지 않는 미세한 표면에서 일어나는 원자들의 움직임이 인류의 미래를 바꾸는 거대한 변화를 만들어내고 있습니다.